pág. 3776
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN CUARTO FRÍO
PARA LA CONSERVACIÓN DE PLÁNTULAS DE FRESA
DESIGN AND SIMULATION OF A COLD ROOM FOR THE
CONSERVATION OF STRAWBERRY SEEDLINGS
Julio Ricardo Ramírez Barrera
Investigador independiente, Ecuador
Fernando Ivan Guerrero Vivanco
Unidad Educativa Santo Domingo de Guzmán, Ecuador
Marlon Jonathan Estrella Semblantes
Unidad Educativa Santo Domingo de Guzmán, Ecuador
Fátima Elizabeth Ruiz Mora
Universidad Estatal de Milagro, Ecuador
Mario Danilo Villacrés Pérez
Universidad Estatal de Milagro, Ecuador
pág. 3777
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i5.13858
Diseño y Simulación de un Cuarto Frío para la Conservación de Plántulas
de Fresa
Julio Ricardo Ramírez Barrera1
julioramirezbarrera@gmail.com
https://orcid.org/0009-0007-2837-1240
Investigador Independiente
Ecuador
Fernando Ivan Guerrero Vivanco
fernando.guerrero@santo.edu.ec
https://orcid.org/0009-0002-4552-3334
Unidad Educativa Santo Domingo de Guzmán
Ecuador
Marlon Jonathan Estrella Semblantes
marlon.estrella@santo.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-5543-8193
Unidad Educativa Santo Domingo de Guzmán
Ecuador
Fátima Elizabeth Ruiz Mora
fruizm2@unemi.edu.ec
https://orcid.org/0009-0006-3300-8182
Universidad Estatal de Milagro
Ecuador
Mario Danilo Villacrés Pérez
mvillacresp2@unemi.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-2031-8222
Universidad Estatal de Milagro
Ecuador
RESUMEN
El presente artículo se desarrolló con la finalidad de diseñar un cuarto frío para la conservación de
250000 plántulas de fresa para evitar su deterioro en un centro de bioproducción en la ciudad de
Ambato, proncincia de Tungurahua. Se empleó un diseño experimental de corte longitudinal, la
investigación fue de tipo aplicativo dado que el estudio tiene importancia práctica con el propósito de
abordar cuestiones específicas relacionadas con la protección de las plántulas de fresa. La población de
estudio estuvo conformada por ejemplares de fresa con un tamaño de muestra total de 250.000 plantas.
Tras realizar el cálculo de la carga térmica se determinó que, la distribución de las cargas indica que la
mayor parte del calor en el espacio proviene de productos o procesos internos, con un 89% de la carga
térmica atribuida a estas fuentes. Las pérdidas por transmisión de calor a través de la envolvente del
edificio son mínimas (2%), y las infiltraciones de aire y las cargas internas tienen una influencia menor
en la carga térmica total (4% y 5%, respectivamente). Por lo expuesto se concluyó que, la simulación
mostró una distribución de temperatura adecuada para la conservación de plántulas, con un rango de
4.1°C a 4.46°C.
Palabras clave: bioproducción, cuatro frio, plántulas de fresa, termodinámica, simulación
1
Autor principal
Correspondencia: julioramirezbarrera@gmail.com
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Design and Simulation of a Cold Room for the Conservation of Strawberry
Seedlings
ABSTRACT
This article was developed with the purpose of designing a cold room for the conservation of 250,000
strawberry seedlings to prevent their deterioration in a bioproduction center in the city of Ambato,
province of Tungurahua. A longitudinal experimental design was used, the research was of an
application type given that the study has practical importance with the purpose of addressing specific
issues related to the protection of strawberry seedlings. The study population was made up of strawberry
specimens with a total sample size of 250,000 plants. After calculating the thermal load, it was
determined that the distribution of the loads indicates that most of the heat in the space comes from
internal products or processes, with 89% of the thermal load attributed to these sources. Losses due to
heat transmission through the building envelope are minimal (2%), and air infiltrations and internal
loads have a minor influence on the total thermal load (4% and 5%, respectively). From the above, it
was concluded that the simulation showed an adequate temperature distribution for the conservation of
seedlings, with a range of 4.1°C to 4.46°C.
Keywords: bioproduction, four cold, strawberry seedlings, thermodynamics, simulation
Artículo recibido 08 agosto 2024
Aceptado para publicación: 15 setiembre 2024
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INTRODUCCIÓN
El presente artículo denominado “diseño y simulación de un cuarto frío para la conservación de
plántulas de fresa” aborda la necesidad de mejorar las técnicas de almacenaje de plántulas de fresa de
los distribuidores agrícolas en la provincia de Tungurahua, cantón Ambato. En el Ecuador la fresa se
produce tanto a pequeña como gran escala desde pequeñas fincas hasta en cooperativas y grandes
asociaciones agrícolas (Lechón y Chicaiza, 2019). Debido a la gran demanda del producto cabe destacar
que la mayor problemática que enfrentan la bioproducción radica en las plagas y en el deterioro de la
calidad debido a la pudrición de las plántulas al no almacenarse a temperaturas adecuadas, lo cual
repercute en la rentabilidad de los agricultores y por ende en la economía local y nacional (Chávez y
Burbano, 2021).
La temática de investigación es de importancia por el gran aporte generado en preservación de la salud
de la plántula, así como también en el rendimiento del cultivo. Es relevante puesto que, el desarrollo de
prácticas sostenibles en la agricultura es esencial para satisfacer la creciente demanda mundial de
alimentos y al mismo tiempo reducir el impacto ambiental negativo de las actividades agrícolas
(Aguilera, 2022). Además, es fundamental perfeccionar las técnicas de conservación como la
refrigeración de la plántula en un cuarto frio para certificar la calidad de los productos agrícolas
(Carranza et al., 2024), en este sentido los métodos y prácticas de permacultura ofrecen recursos para
producir alimentos y otros productos agrícolas a bajos costos ambientales sin comprometer la
disponibilidad de alimentos o el bienestar general de las generaciones futuras.
El estudio se basa en la teoría de refrigeración y conservación, incluyendo los principios de
termodinámica y transferencia de calor aplicados a los sistemas de enfriamiento (Barrera et al., 2021).
Los supuestos clave incluyen la necesidad de mantener la temperatura y la humedad controladas para
evitar daños a las plantas y aumentar la viabilidad de producción. Las plántulas requieren protegerse de
la luz solar de forma directa en una habitación fría, puesto que la radiación acelera la velocidad de
descomposición (Montero, 2022). En tal virtud, para mantener la salud de las plántulas, es fundamental
realizar un control temperatura y la humedad cuando sea posible durante el almacenaje. Ante lo
expuesto, es necesario mantener a la plántula en una atmósfera controlada a 6°C y una humedad relativa
de 80% a 90%, bajo dichas condiciones se puede almacenar la plata hasta 20 días.
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Según Cengel y Boles (2015) “primera ley de la termodinámica se enfoca en la conservación de la
energía y la segunda afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad, y los procesos reales ocurren
hacia donde disminuye la calidad de la energía” (p. 22). En este sentido la refrigeración es el proceso
de transferir calor de un sitio físico a otro. Este mecanismo tiene muchas aplicaciones, incluidas, entre
otras, refrigeradores domésticos, congeladores de tipo industrial, criogénicos, cuartos, fríos, aire
acondicionado y bombas de calor. Un sistema de refrigeración tiene cinco componentes principales:
evaporador, compresor, condensador, válvula de expansión y refrigerante que conduce el calor al
producto. Cada componente debe estar presente en el sistema de refrigeración para que el ciclo de
refrigeración funcione correctamente (Dhankhar, 2014).
En esta línea de investigación Bresolin et al. (2018) en su artículo denominado “panorama de la cadena
de frío brasileña” devela que, el almacenamiento, la temperatura, la humedad relativa y la circulación
del aire pueden provocar cambios químicos en los alimentos. Entre ellos, el control de la temperatura
es un parámetro clave que se encarga de mantener las propiedades comestibles de los alimentos y
garantizar la calidad de toda la cadena de suministro. Por ello recomienda la adecuación de sistemas de
refrigeración ya que los mismos aportan a la conservación de los productos agrícolas (Riofrio et al.,
2023), en el Ecuador las aplicaciones específicas para la conservación de plántulas de fresa y en
cantidades tan grandes son limitadas. Este trabajo proporciona una solución trasformadora que es nueva
en el campo, combinando simulaciones avanzadas con un diseño práctico para una gran cantidad de
plántulas.
En el contexto agrícola de Tungurahua – Ambato; la distribución, producción y cosecha de fresas es
importante para la productividad y sostenibilidad de la industria. A nivel nacional la bioproducción de
fresa es ampliamente reconocida y se lleva a cabo principalmente en campos abiertos, que están
limitados por la invasión de elementos bióticos y los efectos de componentes abióticos, lo que resulta
en pérdidas de producción (Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG), 2020). Sin embargo, previo
a la etapa de siembra de la plántula ya sea en campo abierto o en invernaderos el almacenaje de la misma
juega un papel fundamental en el desarrollo del fruto ya que si no se mantiene a una temperatura
adecuada se deterioran sus propiedades y por ende la producción no será la esperada.
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Por lo expuesto previamente la investigación se desarrolla con la finalidad de diseñar un cuarto frío para
la conservación de 250000 plántulas de fresa para evitar su deterioro.
METODOLOGÍA
La presente investigación se llevó a cabo mediante un diseño experimental ya que se manipulan las
variables de estudio como: temperatura y humedad en las simulaciones para conocer el comportamiento
del diseño propuesto (Ramos, 2021). Es de corte longitudinal, puesto que se miden las variables en
varios instantes de tiempo para observar los efectos del diseño del congelador con la finalidad de ajustar
el diseño del cuarto frio a las condiciones ambientales reales de la ciudad de Ambato donde se lleva a
cabo la bioproducción de las plántulas de fresa.
La investigación es de tipo aplicativo dado que el estudio tiene importancia práctica con el propósito de
abordar cuestiones específicas relacionadas con la protección de las plántulas de fresa(Castro et al.,
2023). El propósito de este tipo de investigación es crear conocimiento que sea directamente aplicable
a problemáticas reales de la sociedad y el sector productivo, en tal virtud es esencialmente un avance
técnico basado en una investigación fundamental que se ocupa del proceso de unir la teoría y los
aplicativos prácticos. Por ello el artículo en mención analiza y determina los factores ambientales
óptimos para el almacenamiento y conservación adecuada de las plántulas de fresa.
La población de estudio estuvo conformada por plantas de fresa con un tamaño de muestra total de
250.000 ejemplares. La muestra de las plántulas se obtiene por muestreo no estadístico a conveniencia
del investigador debido a que la bio-productores del sector sostienen que en promedio se almacena esa
cantidad de elementos y en base a ello se realiza la adaptación del diseño de almacenamiento en frío.
Se utilizo también un enfoque cuantitativo para recopilar datos, incluidas simulaciones por computadora
de entornos de almacenamiento en frío (Hernández - Sampieri, 2016). Por lo expuesto, los datos en
mención se recopilan mediante sensores: humedad y temperatura, los mismos que se introducen en el
modelo de simulación.
Las herramientas consideradas para la recopilación de información incluyen software de simulación
dedicado y equipos de medición en un entorno controlado (Ramírez, 2019). En cuanto a los criterios de
inclusión se toman en cuenta plántulas sanas en condiciones óptimas para uso en simulaciones de
almacenamiento en frío.
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Por ende, se excluyeron plántulas con daños evidentes y considerables a fin de garantizar los resultados
de la investigación.
Con relación a las consideraciones éticas cabe destacar que la investigación se centró en simulaciones
en lugar de experimentos directos con organismos, por ello dichas consideraciones se limitaron a
garantizar que los diseños propuestos cumplieran con las regulaciones y estándares de conservación y
almacenamiento industrial. Por su parte, una limitación del estudio radica en las condiciones externas
del ambiente que no se pueden controlar en el entorno real.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este apartado se describen de forma sistemática los hallazgos generados en la investigación, por lo
cual se muestra la información correspondiente a: cálculo de cargas térmicas, selección de equipos y
accesorios, análisis de costos y simulación del cuarto frio.
Cálculo de la carga térmica: para diseñar el cuarto frio se tomó en cuenta los parámetros ambientales
según ASHRAE que requieren las plántulas de fresa para mantenerse saludables (Latorre et al., 2020).
La temperatura sed mantuvo entre los 4 y 6° C, por su parte la humedad oscila entre el 80 y 90%.
Adicionalmente se consideran los elementos físicos del diseño como: volumen, temperatura (externa,
interna, del piso) y humedad tanto interna como externa, como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 cargas térmicas ASHRAE
Tipo de carga
Valores calculados BTU/h ft2 °F
Transmisión
1201,1
Del producto
45429,75
Por infiltraciones
2345,8
Internas
2363,13
Adaptado de (Ashrae, 2018)
Interpretación: la carga térmica hace referencia a la cantidad de calor que debe ser extraída de un
determinado lugar para refrigerar y mantener a una temperatura adecuada las plántulas de fresa. En la
tabla anterior se puede apreciar los valores de carga térmica generados por los parámetros descritos
anteriormente.
Según Ashrae (2018) la carga de transmisión se obtiene de la cámara de refrigeración, para lo cual se
suman las cargas generadas en las paredes, el techo y el piso obtenidas por la formula 𝑄=𝑈 x 𝐴 x
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(𝑇𝑒−𝑇𝑖); donde Q hace referencia a la perdida de calor en la trasmisión, U es el coeficiente de
trasferencia, A área, Te temperatura exterior y Ti temperatura interior. La carga del producto consigue
con los siguientes elementos: calor del producto para ser llevado a la temperatura del cuarto frio y el
calor emitido por la traspiración del producto conservado.
La carga de infiltraciones atiende a la penetración de aire al abrir las puertas y la infiltración por el
cambio de aire en el interior de la cámara (Valle et al., 2017). En cuanto a las cargas internas se producen
por la pérdida de calor por persona, equipos e iluminación.
Desde este punto de vista la carga térmica total requerida para el diseño del cuarto frio equivale a 51340
BTU/h (British Thermal Units por hora). Para lo cual se toma en cuenta la distribución mostrada en la
Figura 1.
Figura 1 Distribución total de cargas
La distribución de las cargas térmicas indica que la mayor parte del calor en el espacio proviene de
productos o procesos internos, con un 89% de la carga térmica atribuida a estas fuentes. Las pérdidas
por transmisión de calor a través de la envolvente del edificio son mínimas (2%), y las infiltraciones de
aire y las cargas internas tienen una influencia menor en la carga térmica total (4% y 5%,
respectivamente). Para mejorar la eficiencia energética, es necesario asegurarse de que la ventilación y
la infiltración de aire estén bien controladas, aunque su impacto sea menor.
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Selección de equipos y accesorios ´
Para el diseño del cuarto frio se requiere de ciertos equipos y accesorios que garanticen el correcto
funcionamiento del sistema, para la presente investigación se trabajó con los con los elementos que se
detallan en la Tabla 2.
Tabla 2 Selección de equipos
Equipo
Refrigerante
Evaporador
Condensador
Válvula de expansión
Válvula de solenoide
Visor líquido
Tuberías de cobre
Equipo de control
Flujo
Adaptado de (Ramírez, 2019)
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Análisis de costos
El sector de bioproducción analizado invertirá en un cuarto frío para conservar 250,000 plántulas de
fresa, con un diseño y selección minuciosa del equipo. La inversión se recuperará en aproximadamente
15.5 meses (1.29 años) sin considerar la tasa de oportunidad, y en 18.5 meses (1.54 años) al incluirla.
Ambos plazos indican una recuperación rápida y eficiente, reflejando una sólida relación costo-
beneficio, cabe mencionar que la inversión inicial es de $ 10.349,20.
Simulación
El diseño validado de un modelo computacional para el cuarto frio parte de las condiciones ambientales
de enfriamiento para la conservación de plántulas de fresa, y para ello se siguió un procedimiento
estructurado:
Modelado: Se utilizó el software SOLIDWORKS para crear un modelo 3D del cuarto frío. El modelado
incluyó la construcción de piezas y ensamblajes detallados.
Simulación: ANSYS FLUENT fue el software elegido para la simulación, realizando un mallado
tetraédrico con un refinamiento del 85% en áreas clave. Los parámetros de simulación incluyeron estado
estacionario, flujo laminar, y un sistema de refrigeración por compresión. Se configuraron los materiales
y condiciones de frontera, como acero, poliestireno, y espuma de poliuretano para el aislamiento.
Validación: Se compararon los resultados de la simulación con datos experimentales obtenidos de un
refrigerador real, usando una cámara termográfica y el software SatIrReport. Las temperaturas
simuladas y medidas mostraron diferencias aceptables de 0.2 a 0.4 °C, en concordancia con la Norma
NOM-022-ENER/SCFI 2008.
Resultados: La simulación mostró una distribución de temperatura adecuada para la conservación de
plántulas, con un rango de 4.1°C a 4.46°C. El flujo de aire se distribuyó uniformemente, garantizando
una conservación óptima. Ante lo expuesto, los hallazgos pueden utilizarse como prospectiva en varios
establecimientos de la ciudad de Ambato que se dedican a la bioproducción con el claro objetivo de
mejorar el rendimiento de las plántulas de fresa para su posterior siembra en campos abiertos o
invernaderos.
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CONCLUSIONES
Se logró diseñar un cuarto frío funcional y económico para conservar 250,000 plántulas de fresas,
utilizando un sistema de refrigeración que cumple con los requisitos ambientales y de operación
establecidos por el cliente. Además, el análisis económico demostró que el proyecto es viable, con una
recuperación de inversión en menos de 2 años, y la validación del sistema confirmó que las temperaturas
de conservación se mantienen dentro de los límites establecidos por la norma NOM-022, asegurando
así la calidad de las plántulas.
Los ejemplares evaluados mostraron un buen comportamiento en el cuarto frío (4.1°C a 4.46°C) tras el
almacenamiento, manteniendo un estado óptimo en el follaje sin problemas fitosanitarios, decoloración
ni caída de hojas. La vida de los ejemplares fue satisfactoria durante 20 días, conservando sus
características iniciales sin deshidratación ni daños.
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